Laser Physics Modifying the laser output Lecture 15 www.hazemsakeek.com www.physicsacademy.org Modifying the laser output درسنا في المحاض ارت السابقة فكرة عمل الليزر والعوامل الا ساسية التي بدونها لا يمكن الحصول على شعاع ليزر. في هذه المحاضرة سنقوم با لقاء الضوء على الطرق والا ساليب المتبعة لتسخير شعاع الليزر للتطبيقات العملية. على سبيل المثال يستخدم الليزر لقطع المعادن واللحام وهذا يتطلب زيادة طاقة شعاع الليزر أو الحصول على شعاع ليزر يعمل بنمط محوري واحد لتطبيقات الد ارسات الطيفية أو الاتصالات. وهذا سيكون موضح من خلال العناوين الا ربعة التالية: Selection of the laser emission lines Single-mode operation Q-Switching Mode Locking 2 1
Selection of the laser emission lines نعلم أن الليزر ينتج من انتقال الذ ارت المثارة من مستويات الطاقة الا على إلى مستويات الطاقة الا قل وذلك إذا تحققت الشروط المطلوبة لتكون الحصيلة اكبر من الخسارة. وهذا قد يتحقق في المادة المنتجة لليزر لا كثر من تردد كما سنرى في المحاضرة القادمة He-Ne Laser هنا نحن لا نتحدث على الا نماط المحورية تحت منحنى الحصيلة ولكن المقصود هو خطي ليزر أو أكثر مختلفين ولكل منهما تردد خاص ومنحنى حصيلة. وكلا من هذه الترددات سوف تكبر وتنتج ليزر عند أكثر من تردد في نفس الوقت. يوضح الشكل كيف يمكن تكبير الطول الموجي 2 فقط باستخدام المنشور 3 للتغلب على هذه الظاهرة يتم استخدام منشور Prism بين المادة المنتجة لليزر والمرآة حيث أن لكل تردد ازوية انكسار خاصة حسب Snell's Law وبضبط وضع المنشور بحيث يكون التردد الم ارد تكبيره للحصول على ليزر عنده يسقط ب ازوية قاي مة على المرآة وبالتالي ينعكس على نفسه ليعود إلى المادة ويكبر بينما الترددات الا خرى تنعكس خارج المادة المكبرة ولا تنتج ليزر. كما يمكن استخدام Diffraction Grating أو Filters 4 2
Single-mode operation إلى المصدر يكون الضوء الناتج من ليزر يعمل عند نمط محوري أحادي اقرب ما يكون المحاض ارت الا ولى موضوع اتساع الخط الطيفي الضوي ي أحادي اللون. حيث أننا درسنا في نتيجة للعوامل متعددة وبهذا فا ن الضوء أحادي اللون يكون له اتساع محدود وهذا الاتساع واقل Monochromatic Light Source اللون أحادي مصطلح دقة مدى يحدد واحد Single mode محوري بنمط يعمل ليزر من عليه الحصول يمكن اتساع operation. Single mode laser كيف يمكن الحصول على تعتمد فكرة الحصول على ليزر يعمل بنمط محوري وحيد على زيادة المسافة بين الا نماط وبهذا المحورية المتجاورة إلى مسافة تصل على الا قل مساوية لاتساع منحنى الحصيلة. هو النمط المتحقق عنده شرط الحصيلة أكبر من الخسارة بينما q 0 يكون النمط المحوري تقع خارج منحنى الحصيلة. أو الا نماط الا خرى q 0+1 q 0-1 5 المسافة بين نمطين محوريين تعطى بالعلاقة C/2L وبهذا يعني انه كلما قل L طول المكبر كلما ازدت المسافة بين النمطين المحوريين. فا ذا ما صمم المكبر بحيث يكون طوله يحقق الشرط C/2L لهذه الطريقة اثر على تقليل مادة المكبر وبالتالي طاقة الليزر ولكن تستخدم في تطبيقات تكون بحاجة إلى اقرب ما يكون للتردد أحادي اللون. 6 3
Q-Switching تحتاج العديد من التطبيقات إلى طاقة عالية لليزر مثل التطبيقات الصناعية لليزر في اللحام والقطع ولزيادة طاقة الليزر نستخدم عدة طرق للحصول على Q-Switching حيث يتم التحكم في توقيت عملية الانبعاث الاستحثاثي عن طريق التحكم في مستوى الخسارة. كيف من المحاض ارت السابقة لاحظنا أن نبضة الليزر المنبعثة من Ruby laser تحتوي على Spikes وهذا يعود إلى توالي حدوث الانبعاث الاستحثاثي والضخ لقلب التعداد خلال عملية الا ثا رة بواسطة Flash lamp والتي تستمر لفت رة زمنية تصل إلى microseconds فا ذا ما تم إيقاف الانبعاث الاستحثاثي خلال فترة الضخ الضوي ي لزيادة الحصيلة يمكن الحصول على نبضة ليزر في فت رة زمنية تصل إلى. Nanoseconds فكرة عمل ال Q-Switching تعتمد فك رة ال Q-Switching على إيقاف مؤقت لليزر من خلال التحكم في مستوى الخسارة خلال عملية الضخ حتى يتم زيادة تعداد مستوى الليزر إلى اكبر قيمة ممكنة وهذا يعني زيادة الحصيلة إلى قيمة اكبر بكثير من القيمة الحرجة Gain. Threshold ثم نقوم بتقليل مستوى ا لخ سا رة إلى القيمة الا ساسية وهذا سيؤدي إلى أن يكون ال Gain أكبر بكثير من ال Threshold فتحدث عملية الانبعاث الاستحثاثي في فت رة زمنية قصي رة تنتج عنه نبضة ليزر ذات طاقة عالية. 7 يوضح الشكل أعلاه فك رة التحكم بالخسارة حيث تم وضع قرص داي ري به فتحة تدور بسرعة حول المحور الضوي ي لليزر. فعندما تحجب الا شعة عن المرآة خلف القرص يتم زيادة التعداد وتكبير الحصيلة وذلك لا ن مستوى ا لخ سا رة يعد كبير جدا وعند وصول الفتحة في القرص في مستوى المحور الضوي ي تصبح ا لخ سا رة في أدنى مستوى لها بينما ت ازل الحصيلة في أعلى مستوى لها وهذا سيؤدي إلى انبعاث نبضة ليزر في فت رة زمنية قصي رة مما يعني طاقة هاي لة. Q-switch acts as a shutter that can be open suddenly inside the laser cavity 8 4
يوضح الشكل التالي التغير الزمني في كلا من ال Flash Lamp المستخدمة في انقلاب التعداد والمنحى الحصيلة ونبضة الليزر الناتجة. 9 طرق مختلفة لل Q-Switching 10 5
11 Mode Locking Locking the longitudinal optical modes inside the cavity is achieved by locking the relative phase of all the optical modes, such that at a certain point they all have the same phase. At this point a constructive interference occur between all the laser modes, and the result is a single pulse, with very short width and very high peak power, which move between the mirrors of the cavity. This moving pulse cause the laser output to be orderly chain of pulses. The length of each pulse is from 1 psec (10-12 sec), up to 1 nsec (10-9 sec). In figure the output laser radiation of a mode locked laser can be seen. Output laser radiation of a mode locked laser. 12 6
Mode Lock Optical Switch The element locking the laser modes is an optical switch inside the cavity. This switch is opened for a very short time equal to the length of the pulse, and than close for a period of time equal to the time of round trip of the pulse inside the cavity. The location of the switch is near one of the end mirrors. The switch allows the pulse to pass to the mirror and back, and than close to disable other pulses from building up. The switch opens again when this particular pulse arrive again from the other mirror. This is a synchronous switching which accumulates all the energy in a single pulse moving back and forth between the cavity mirrors. Each time it reaches the output coupler, a single pulse is emitted. The mode locking is done with an Acousto-optical modulator, and the frequency of its operation is determined by the travel time of the pulse between the mirrors. 13 Time Interval (T) between two Adjacent Pulses. The time interval (T) between two adjacent pulses is the time of flight of the single pulse inside the cavity for a complete round trip: T= 2L/C L = Cavity length. c = Velocity of light inside the active medium. In a mode locked diode lasers, the pulse length can be a few picoseconds (10-12 [s]), with pulse rate of hundreds of Gigahertz (10 11 [Hz]). 14 7